基于比较优选模块化UPS在关键门站、电厂分输计量站中的应用

摘 要：为了避免突然断电对燃气生产监控系统的影响，减少对信息设备的冲击，单机UPS作为后备应急电源在城市燃气SCADA系统得到了广泛运用，但是由于单机UPS存在不支持在线冗余功能、存在扩容不便等缺陷，为了消除因UPS故障影响燃气监控系统正常生产和可靠计量的安全隐患，文章基于多方案比较分析，最终优选“2+1”冗余方式模块化UPS对存在供电隐患的门站和电厂进行了改造，大大提高了关键分输计量站后备电源系统的安全性和可靠性，为连续性供气生产创造了良好条件。

关键词：影响；缺陷；分析比较；冗余功能；模块化UPS

1 案例背景

2013年10月，求雨岭门站因单机UPS主机内部故障，导致“919”调压器和流调阀等重要遥调设备无法正常工作；2014年8月，钰湖电厂UPS主机自检故障突然停机导致通讯中断，面对这种突发性后备电源系统故障导致站控系统临时瘫痪、气量数据无法远传的严重后果，很快让我们意识到了各门站、电厂后备电源系统的不足，寻求一套可靠性高、便于维护、扩容的不间断电源系统破迫在眉睫。

2 当前供电系统主要存在的问题

2.1 可靠性差。单机运行的UPS主机无控制器的冗余，一旦主机内部出现故障，将导致站控系统临时性瘫痪，直接影响站控系统的正常监控和气量计量。

2.2 维修操作不便。一般单台在线运行UPS更换UPS电池或维护、维修时均需停机操作。

2.3 增容难，带负载能力受限。当前我司站控系统各门站、电厂使用的UPS容量为（3000～6000）KVA，按最大功率因数0.8算，主机能带的最大负载范围为（2.4～4.8）KW，但随着新工艺、新技术的应用都会不断增大负载，这对于相对固定容量的主机来说是致命的，最终不得不更换大容量UPS来增容。以我司求雨岭门站为例，UPS运行时瞬时功率高达额定功率的80%，这样长期使设备工作在高负荷下，将大大缩短UPS使用寿命，严重威胁站控系统的用电安全和可靠性。

3 多方案比较分析

3.1 备选方案。方案一：单机UPS输出端安装静态转换开关（STS）：思路1：在设备电源输出端安装静态转换开关将UPS的市电输出与电网的市电输入进行并接，正常供电情况下由UPS给负载供电，当UPS输出供电异常时快速切换（切换时间T≤8ms）至市电供电。方案二：双机并联：思路2：将两台功率相同的UPS通过并机模块将两台设备在线并接，正常工作状态时两台设备处于热备状态同时给负载输出市电，当其中某个主机出現故障时，由另一台设备负责给站控系统供电。方案三：采用模块化UPS：思路3：冗余并联“N+X”方式，本思路是源于设备自身控制单元采用冗余设计，支持独立功率、电池模块在线热热插拔，并且能根据负载大小自动调节冗余方式，保证足够输出功率供应负载。

3.2 分析比较

方案一，静态转换开关是瓶颈点，一旦功能失效将起不到切换作用；另外UPS维护、维修更换均需进行停电操作，不能满足时时在线监控要求，对连续性不间断生产非常不利。方案二，本方案需使用两台功率、型号规格完全一致的UPS，并且需要在主机市电输出端安装并机模块避免两台设备产生环流和输出相位不同步的影响。缺点是：安装两台设备占地空间大，成本相对较高，另外并机模块是该系统的瓶颈点，一旦该并机模块损坏，将可能产生高电压和环流作用，严重损坏供电主机和负载设备。方案三，模块化UPS的改造思路相对于方案一、方案二而言，既克服了系统因外接设备接入的瓶颈点，也大幅度提高了系统自身稳定性和可靠性，真正实现了在不影响负载的情况下，可对供电设备进行热插拔、增容等操作。通过以上各方案的比较以及综合考虑模块化UPS的优越性，为了保证关键计量门站、电厂的安全稳定运行，最终建议使用模块化UPS作为站控系统和计量系统的后背电源。

3.3 模块化UPS主要优点

3.3.1 便于维修和扩容。模块化UPS功率部分、电子部分、电池部分都是模块化抽屉式结构，模块化的设计使用户可根据自身需要进行灵活的组合，另外模块化UPS采用高难度的双机容错技术，当机器需要更换功率模块、增加容量、旁路维修时均可在不影响负载供电的前提下进行操作，这对连续性生产运行系统非常适合。

3.3.2 低维护成本及节能降耗。虽然模块化UPS的单价比单台UPS高，但是模块化UPS采用的RAID技术和独有的无时间间隔容错技术告别了使用两台UPS来实现的高成本，从长远来看模块化UPS凭借其高效率、高功率密度和易于维护及扩容的优势，可以使后期运行维护费用大大降低；另外模块化UPS是高频机，采用IGBT高频整流和主动功率因素校正技术，使整机效率高达96%左右，输入功率因素接近1，因此模块化UPS在节能方面具有优势。

3.3.3 高可靠性。模块化UPS功率模块之间是通过并联技术连接，可以实现“N+X”的冗余。虽然热插拔技术会使单个模块的性能有所下降，但是模块化的设计结构就是让多个模块并联工作，更换某个模块不会对整个系统的可靠性产生任何影响。

4 方案部署

4.1 负荷计算。以设备额定容量12KVA，按最大有效功率系数0.7计算可得最大输出功率8.4KW，远远大于计算负载功率4KW，说明该方案的设备选型符合整改及使用要求。另外当负载≤8KW时，SYA12K16IUPS其中一块功率模块为冗余备用模块，可实现“2+1”的冗余工作方式。

4.2 方案选型。计算机房作为数据集中处理和发送中心，UPS合理容量设计以及可靠冗余性是保障中心计算机房服务器及网络设备正常运行的关键。综合考虑可能增加设备以及冗余要求，最终推荐使用APCSymmetraLX（机架式）12KVAUPS，由于现场已配置应急发电机，故APCSymmetraLX12KVAUPS配备10块电池可满足系统供电要求。

4.3 设备部署。依据计算负荷及冗余配置要求，单个站点设备选型和配置如下：（1）UPS主机一台，型号SYA12K16I，使用APCSymmetraLX系列模块化电源阵列式UPS，标配2个冗余智能模块，安装3个4KVA功率模块，最大输出功率12KVA，3个电池模块；（2）后备电池10只，免维护铅酸蓄电池，单只电池电压为DC12V，容量为100Ah；（3）电池柜C10，10位电池柜，可安装10支100Ah电池；（4）电池连接线、连接器，10mm2铜芯导线，SymmetraLX专用电池连接器1个；（5）AP9619网络管理卡，网络远程管理，配合PCNS软件实现服务器无人值守安全关闭。

5 结束语

随着不间断电源技术的发展，模块化UPS在核心数据机房将会得到越来越广范的应用，此次对天然气关键门站、电厂涉及贸易计量的UPS改造正是迎合了不间断电源技术的主流发展方向，实现了在不影响站控和计量系统正常运行下可对后备电源系统进行热插拔、旁路维修、增加容量等维护操作，完全满足了连续性生产气站的要求，真可谓称之便利、高效、可靠“绿色电源”。

参考文献

[1]陈息坤.高频模块化UPS及其并联控制技术研究[D].华中科技大学，2005.

[2]谢拥华，程劲晖.通信用模块化UPS的选型与设计探讨[J].电信技术，2011.

作者简介：彭超龙（1987，12-），男，工程师，从事燃气调度SCADA系统维护。